Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы организационно-технологического управления роботизированными комплексами. Учебное пособие
.pdf
71
электротензометров сопротивлений, где действие силы сжатия
приводит к деформации тензобалки, регистрируемой
электротензометром сопротивлений (табл. 5), меняющим
электрическое сопротивление пропорционально величине ее
изгиба.
Разновидностями датчиков давления наряду с сенсором
усилий сжатия являются датчики усилия моментов, обычно
встраиваемых в запястье ПР и получивших название
силомоментных сенсоров (табл. 5.). Широко распространены
шестикомпонентные крестообразные, кольцевые и консольные
(пальцевые) силомоментные сенсоры. Последние обладают
высокой жесткостью, компактностью, линейностью, малым
значением гистерезиса и незначительным внутренним трением. В
большей степени удовлетворяет описанным требованиям
крестообразный сенсор, состоящий из мальтийского креста,
изготовленного из монолитного куска металла (например,
алюминия) с размещенными на четырех его упругих элементах
(брусках) чувствительными полупроводниковыми элементами
(например, тензорезисторами).
С целью улучшения избирательности каждого бруска к
определенным силам один из его концов закреплен на мембране
(диафрагме), жесткость которой в осевом направлении (вдоль
бруска к центру датчика) значительно меньше, чем в продольном
и поперечном направлениях. Поэтому может перемещаться
(изгибаться) только вдоль оси бруска, а следовательно, при
действии силы (моментов) в направлении одной из осей
происходит деформация соответственно только упругих
элементов, лежащих вдоль данной оси, что и фиксируют
тензорезисторы, расположенные на них. В результате
деформации бруска (растяжения или сжатия) сопротивление
тензорезисторов меняется пропорционально величине
действующих силовых компонентов, что и используется для
получения электрического сигнала. Обычно корпус
крестообразных силомоментных сенсоров крепится к последнему
звену ПР, а средняя его часть – к рабочему органу робота.
72
Пальцевые силомоментные сенсоры представляют собой
консольную балку (табл. 6), состоящую из последовательно
чередующихся несущих брусков и упругих элементов с
тензодатчиками (последние получили название тензометров).
Балка устроена так, что может гнуться только в одной плоскости,
при этом сдерживая усилия в остальных. Одна часть балки
крепится к запястью робота, другая – к рабочему элементу ЗУ.
Сколько рабочих элементов (например, «пальцев») в ЗУ, такое же
количество устанавливают консольных балок, т. е. количество
рабочих элементов определяет количество монтирующих
силомоментных сенсоров. Принципы работы консольных и
крестообразных силомоментных датчиков аналогичны.
Кроме пальцевых силомоментных сенсоров разработаны и
кольцевые (табл. 6). Кольцевой шестикомпонентный
силомоментный сенсор состоит из наружного и внутреннего
кольца, второе установлено внутри первого. Эти кольца
представляют собой устройства, включающие по два фигурных
жестких кольца, установленных одно над другим и соединенных
упругими элементами с вмонтированными вниз тензодатчиками.
Обычно кольцевой сенсор встраивается в запястье манипулятора.
При перемещении наружного и внутреннего кольца относительно
друг друга в результате действия сил (моментов) происходит
деформация упругих элементов, что и фиксируют тензодатчики.
В отличии от выше описанных сенсоров сил и моментов в
робототехнике используются и электромагнитные датчики.
Силовое воздействие на рецептор преобразуется в перемещение
четырех дифференциальных трансформаторов с помощью
сильфона, являющегося одновременно корпусом устройства и его
упругим элементом. Простота гальванической развязки
питающей и сигнальной обмоток, значительный уровень
выходного сигнала, не требующего усиления, свидетельствует о
перспективности данных типов датчиков.
Представленные типы силомоментных сенсоров
объединяет способ преобразования приложенных сил (моментов)
в электрическое напряжение. Однако описанный метод не
единственный. Существуют датчики, работа которых основана на
применении локационных систем. Характерным представителем
73
последних является датчик силомоментного очувствления с
преобразователями перемещений – сенсор кольцевого типа, где
деформация упругих элементов вызывает смещение источников
света и координатных фотоприемников, что приводит к
генерации электрического сигнала, который пропорционален
перемещению.
Широкое распространение в робототехнике получили
тактильные датчики проскальзывания (перемещения),
предназначенные в основном для захватывания и надежного
удержания объекта без его деформации. Поэтому данной группы
сенсоры устанавливаются, как правило, на рабочих элементах
ЗУ. По принципу действия датчики проскальзывания можно
разделить на механические, магнитные, пьезорезисторные,
тензометрические, локационные, матричные и др. Рассмотрим
характерных представителей каждой из подгрупп, которых
объединяет ряд конструктивных элементов: обязательное
наличие воспринимающего органа (реагирующего в первую
очередь на перемещение захваченного объекта), выполненного в
виде шара, ролика, иглы; устройства регистрации данного
перемещения и преобразования, как правило, в электрический
сигнал.
Типичным механическим датчиком проскальзывания
является сенсор (табл. 5) проскальзывание объекта вызывает
перемещение зубчатого колеса, связанного с другим колесом
посредством зубчатой передачи.
Существуют две разновидности магнитных датчиков
перемещения: с постоянным магнитом и электромагнитом. У
представителя первой группы воспринимающий орган выполнен
в виде вращающегося резинового ролика с вмонтированным
постоянным магнитом, при этом устройство регистрации и
преобразования представляет собой магнитную головку,
установленную по ходу проскальзывания (табл. 5) захваченного
объекта, вызывает вращение ролика совместно с магнитом.
Движение последнего регистрирует магнитная головка,
преобразуя взаимодействие магнитных полей (собственного и
74
постоянного магнита) в электрический сигнал. Иногда в
магнитных датчиках перемещений применяются герконы,
обеспечивающие выполнение функций регистрации и
преобразования, взамен магнитных головок. Основным
недостатком представленного вида сенсоров является
возможность регистрации перемещения объекта только в одном
направлении.
Избежать данного недостатка позволяет
электромеханический датчик, представленный в (табл. 5).
Зубчатый шар связан с тонким стержнем, установленным на оси
горизонтально расположенного проводящего диска. Под диском
по длине окружности установлены 16 контактов. Вращение шара
в любом направлении вызывает отклонение стержня, наклон
диска и замыкание одного из 16 контактов в плоскости
проскальзывания объекта. Таким образом, происходит
регистрация проскальзывания в любом направлении и
преобразования данного перемещения в электрический сигнал.
Характерным представителем электромагнитных датчиков
проскальзывания является соленоидный сенсор (табл. 5).
Воспринимающий орган соленоидного датчика состоит из
упругого стержня. На одном из его концов закреплен кулачок, на
другом – якорь с жестко закрепленной пружиной и
установленной в катушке соленоида. Воспринимающий орган
установлен внутри изоляционного корпуса датчика , который
закрыт сверху электропроводящей крышкой с отверстием для
кулачка. В исходном положении воспринимающий орган
выдвинут над крышкой и касается объекта. При перемещении
последнего в любом направлении происходит деформация
(изгиб) стержня, который касается крышки, что вызывает
появление импульса, приводящего к срабатыванию соленоида.
Якорь втягивается в катушку соленоида, сжимая пружину и
замыкая контакты, подавая сигнал, например, в систему
управления ПР. В результате чего происходит выпрямление
стержня и размыкание контакта с электропроводящей крышкой.
Напряжение питания на катушку соленоида не подается, якорь
вместе с упругим стержнем перемещается под действием сжатой
пружины в направлении объекта, соприкасаясь с его
75
поверхностью. Далее при проскальзывании объекта в ЗУ
описанный процесс повторяется. Чувствительность
представленного датчика зависит, с одной стороны, от скорости
проскальзывания объекта, а с другой – конструктивных
параметров сенсора.
В табл. 5 представлен еще один представитель описанной
выше группы, работа которого аналогична соленоидному
датчику.
Широко распространены пьезорезисторные датчики
перемещения (табл. 5), где воспринимающий орган может быть
выполнен в виде иглы, колпачка или кулачка. В игольчатых
датчиках перемещение объекта вызывает отклон ение иглы,
жестко соединенной с подпятником, который воздействует на
слой электропроводящей резины (сжимает ее), что фиксируется
датчиком давления. Последний преобразует деформацию
пьезорезисторного слоя в электрический сигнал.
В колпачковых сенсорах воспринимающий орган выполнен
в виде эластичной крышки (табл. 5), под которой установлен
чувствительный элемент, представляющий собой втулку,
изготовленную из электропроводной резины. Перемещение
объекта вызывает деформацию крышки и чувствительного
элемента. Это изменяет сопротивление последнего и увеличивает
силу тока, протекающего через него, что и фиксируется.
Оригинальной конструкцией обладает датчик перемещения
на основе сапфирового сердечника (табл. 5).
Он выполняет функции воспринимающего органа, имеет
вид иглы, в основании которой установлен пьезокерамический
чувствительный элемент, расположенный на резиновых
амортизаторах. При перемещении объекта возникают колебания
сапфировой иглы, перпендикулярные направлению
проскальзывания, вызванные микронеровностями захваченного
объекта. Колебания сапфировой иглы регистрируются и
преобразуются в электрический сигнал пьезокерамическим
чувствительным элементом. Заметим, что увеличение глубины
микронеровностей ведет к возрастанию амплитуды колебания
76
воспринимающего органа и росту величины электрического
сигнала. Представленная закономерность используется для
определения качества обработки поверхностей объекта захвата.
Таким образом, описанный датчик наряду с регистрацией
перемещения объекта в ЗУ осуществляет контроль величины
шероховатости (неровностей) его поверхности.
Наряду с вышеописанными сенсорами перемещения в
робототехнике достаточно часто используются тензометрически е
датчики. Типичным представителем является сенсор (табл. 6), где
воспринимающий орган представляет игольчатый упор,
основание которого установлено на упругой перегородке, жестко
связанной с корпусом датчика. К верхней части упора крепится
кулачок, непосредственно вступающий в контакт с объектом
захвата. Под упругой перегородкой расположен шарик,
контактирующий с тензобалкой, на которой закреплены
чувствительные элементы (тензометры). В результате
проскальзывания объекта происходит смещение кулака и
игольчатого упора, приводящее к деформации упругой
перегородки. Последняя, воздействуя на шарик, прогибает
тензобалку, что фиксирует чувствительные элементы, преобразуя
изгиб балки в электрический сигнал.
Основным недостатком представленного датчика является
регистрация проскальзывания только в одной плоскости.
Избежать данного недостатка позволяют датчики с встроенными
четырьмя тензобалками, где воспринимающий орган выполнен в
виде шарика (табл. 5). Перемещение объекта в любом
направлении вызывает смещение шарика и изгиб
соответствующей балки, что фиксируется чувствительным
элементом, установленным на ней.
Определенной популярностью пользуются локационные
датчики перемещения (табл. 5), где воспринимающий орган
выполнен в виде резинового ролика, связанного с диафрагмой,
перекрывающей луч света между излучателем и приемником. В
исходном положении луч света от излучателя беспрепятственно
проникает через отверстие диафрагмы к фотоэлементу. При
проскальзывании объекта происходит вращение ролика и
перемещение диафрагмы, которая перекрывает направленный
77
пучок света от излучателя к фотоприемнику, что фиксируется
последним.
Перспективны для регистрации перемещения матричные
датчики. Рассмотрим характерную конструкцию и принцип
работы данного типа сенсоров ( табл. 5): внутри мягкого гибкого
наполнителя вмонтированы датчики давления. В результате
проскальзывания объекта происходит изгибание наполнителя и
поочередное изменение состояния датчиков давления в
направлении перемещения, что и регистрируется.
Существенным недостатком тактильных датчиков является
их обязательный механический контакт с объектом
манипулирования, приводящий к износу сенсора и в конечном
счете его поломке. Кроме того, существует ряд изделий
(продукты питания; детали с зеркальными поверхностями, с
покрытиями из дорогостоящих металлов или химически
активных материалов; продукция фармацевтической
промышленности и т. п.) для которых жесткий механический
контакт с элементами ЗУ нежелателен. Все это вызывает
определенные трудности в использовании тактильных датчиков.
Избежать представленные недостатки позволяют
дистанционные сенсоры, подразделяющиеся на два класса:
визуальные и локационные (рис. 9). В свою очередь, последние
можно разделить на две большие группы – датчики ближней
локации и дальномеры. Заметим, что тактильные сенсоры иногда
называют датчиками сверхближнего действия; к которым
целесообразнее отнести и анализаторы типа «кошачьих усов»
(табл. 5). Конструктивно данные датчики состоят из одного или
нескольких гибких щупов, имитирующих кошачьи усы, жестко
закрепленных на фольгированной пластине, соединенной
посредством диэлектрика, например пластиковых трубок, с
медной пластиной. В последней выполнены отверстия, через
которые проходят щупы без контакта с ней.
78
Датчики внешней информации
дистанционные (бесконтактные)
Визуальные Локационные
Телекамеры Фотоматрицы Ближней Дальней
локации локации
(до 3мм) (более 3 мм)
1. Электрические А. Оптические
2. Электромагнитные Б. Акустические
3. Пневматические В. Радиационные
4. Магнитные Г. Радиоволновые
Д. Тепловые
1. Электрические А. Оптические
1.1. Резистивные А.1. Телевизионные трубки
1.2. Емкостные А.2. Электронно-оптические
1.3.Тензорезисторные А.3. Позиционные
1.4. Полупроводниковые А.4. Сканисторы
А.5. Лазерные сканаторы.
2. Электромагнитные А.6. Волокно-оптические
2.1. Вижретоковые А.7. Матрицы
2.2. Индуктивные
В. Радиационные
3. Пневматические В.1. Сцинтилляционные
3.1. Струйные В.2. Полупровадниковые
3.2. Пневмомеханические В.3.Ионизационные
3.3. Вакуумные
Г. Радиоволновые
Г.1.Полупроводниковые
4. Магнитные Г.2.Тепловые
4.1. Феррозондовые Г.3.Антенные
4.2. Магнитострикционные
4.3. Электродинамические Д. Тепловые
Д.1. Балометры
Д.2. Фоторезисторы
Д.3. Пиро и ИД-видиконы
Д.4. Матрицы
Рис. 9. Классификация датчиков внешней информации бесконтактных
79
Сенсор работает следующим образом: при соприкосновении
датчика с объектом манипулирования происходит изгиб щупов и
их контакт (в отверстии) с медной пластиной, что влечет за собой
возникновение электрического сигнала.
Таким образом, если есть контакт с объектом, то возникает
электрический выходной сигнал, регистрируемый как единица,
если нет – соответственно фиксируется как ноль. Поэтому сенсор
типа "кошачьих усов" является кодовым датчиком работающим в
двоичной системе. Представленный анализатор позволяет
определить наличие объекта в ЗУ и его проскальзывание, а также
конфигурацию распознаваемого изделия.
В зависимости от принципа действия дальномеры делятся
на акустические, оптические (или светолокационные), лазерные и
радиационные. Среди акустических методов локации в
робототехнике наиболее перспективными являются эхометод,
основанный на излучении в среду акустических импульсов и
прием отраженных сигналов (эхосигналов) от предметов,
находящихся в ней, и метод основанный на эффекте Доплера,
позволяющего измерять скорость перемещения объектов или
рабочих органов робота. Акустические сенсоры позволяют
измерять расстояние и линейное перемещение в диапазоне от
0,002 и до 2,00 м с погрешностью не более 2 % при этом
быстродействие их в большинстве своем не превышает 10 мс.
Среди последних наиболее распространены ультразвуковые
дальномеры (табл. 6), применяемые в основном для обнаружения
препятствий и измерения расстояния до него. В общем виде
работа ультразвукового сенсора заключается в следующем:
генератор вырабатывает строго определенные импульсы с
заданной частотой по времени, которые через коммутационное
устройство поступают на ультразвуковой преобразователь.
80
Характерные датчики внешней информации бесконтактные
Название датчика и его
принципиальная схема
1 2 3
1. Акустический
(ультразвуковой)
Основные
элементы
конструкции
Г - генератор
импульсов;
КУ - коммутирующее устрой ство;
ИП - излучающий
преобразователь;
ПП- приемный
преобразователь;
ИПП - излучающе-приемный
преобразователь;
У - усилитель;
УФ - устройство
формирования;
ПРБ - преобразователь импульса
Таблица 6
Примечание
Чем дальше
объект, тем
дольше мы
не получаем
отраженный
сигнал
2. Оптический
а. Светолокационный
Г- генератор;
Л - излучатель;
ДФ - диафрагма;
ФП – фотоприемник;
ИУ – избирательный усилитель;
Д - детектор;
ПУ - пор оговое
устройство
Как только
фотоприемн
ик (ФП)
зафиксировал сигнал
– есть близко
предмет
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]